一种过饱和交通状态干线双向信号协调设计方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种过饱和交通状态干线双向信号协调设计方法与装置，其中方法包括：获取过饱和交通状态干线目标路段的几何参数、交通参数、控制参数以及需优化时段的交通流量数据；以干线为建模对象，构建以最大化干线两个方向加权吞吐量为目标的优化模型，通过调节绿灯时长实现干线吞吐量最大化；求解模型得到干线各交叉口各相位的绿灯时长；以干线各交叉口为建模对象，构建以最小化主线直行两个方向加权车均延误为目标的优化模型，通过调节相位差、相位方案来实现车均延误最小化；求解模型得到交叉口与其上游交叉口之间相位差和各交叉口的相位方案。本发明专利技术建立并求解吞吐量最大化模型与车均延误最小化模型，能够有效提升干线通行能力与服务水平。

【技术实现步骤摘要】
一种过饱和交通状态干线双向信号协调设计方法与装置
本专利技术属于交通安全控制领域，具体涉及一种基于LWR(LighthillWhithamRichards)冲击波理论的过饱和交通状态下城市干线双向信号协调设计方法与装置。
技术介绍
随着道路供需矛盾凸显，城市交通拥堵问题日益严峻，尤其在早晚高峰时段，许多城市干线道路都出现了过饱和的情况。如果不能合理进行控制与协调，很可能会出现车辆排队滞留、溢出甚至交叉口“死锁”等不良现象，加剧拥堵。信号协调控制是维持交通秩序与提升通行效率的有效措施，能有效缓解交通拥堵。我国城市干线以双向道路为主，针对过饱和交通状态下的干线双向信号协调控制研究对于提高干线通行能力与服务水平具有重要意义。LWR冲击波理论在不同类型的交通场景中都得到了广泛应用，其最常见的应用之一就是估计信号交叉口处的排队长度和延误。它可以兼顾单个交叉口车辆运行状态以及相邻交叉口联系两个方面，并有效体现相位差、绿灯时间等控制参数与排队长度、延误、吞吐量等道路服务性能指标的关联，是处理信号控制问题的有力理论支持。很多研究基于冲击波理论提出了过饱和交通状态下信号控制优化方案，但大多只考虑了单个方向的通行问题，双向过饱和状态下，绿灯时长等控制参数需要满足更多的限定条件，协调控制难度也显著提升。同时，干线的各交叉口间存在着互相影响互相制约的关系，需要将其作为整体考虑，而现有研究大多围绕孤立交叉口、相邻交叉口展开。因此，可以认为，现有技术对于过饱和交通状态干线双向信号协调控制的适应性是不足的。
技术实现思路
r>专利技术目的：针对现有方法的不足，本专利技术的目的在于为双向过饱和交通状态下的城市干线提供一套切实可行的信号协调控制优化方案，基于实际路段几何参数、交通参数、控制参数以及需进行优化时段的交通流量数据，对各交叉口绿灯时长、相位差、相位方案进行优化，从而提升路段各交叉口主线双向的通行能力与服务水平。技术方案：为实现以上专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种过饱和交通状态干线双向信号协调设计方法，包括以下步骤：(1)获取过饱和交通状态干线目标路段的几何参数、交通参数、控制参数以及需进行优化时段的交通流量数据。(2)以干线为建模对象，构建以最大化干线两个方向加权吞吐量为目标的优化模型，通过调节绿灯时长实现干线吞吐量最大化；所述优化模型的约束包含保证本周期到达的车辆可以全部通过的约束、相位差处于临界状态时不存在空放的直行绿灯时长的约束、交通量进出平衡约束、绿灯时长范围约束以及绿灯时长相位约束。(3)求解以最大化干线两个方向加权吞吐量为目标的优化模型，得到干线各交叉口各相位的绿灯时长。(4)以干线各交叉口为建模对象，构建以最小化主线直行两个方向加权车均延误为目标的优化模型，通过调节相位差、相位方案来实现车均延误最小化；所述优化模型的约束包含避免溢出约束、避免排队清空后主线车队未到达情况出现的约束、避免主线车队所有车辆均需排队等待并且“多余等待时间”超出额定范围情况出现的约束、保证本周期到达车辆可以全部通过的约束以及相位差与两个方向绿灯启亮时间差关系约束。(5)求解以最小化主线直行两个方向加权车均延误为目标的优化模型，得到交叉口与其上游交叉口之间相位差和各交叉口的相位方案。作为优选，所述步骤(1)中获取的路段几何参数包括交叉口间距、车道功能以及对应车道数和进口道长度，路段交通参数包括饱和流率、路段限速、排队消散状态的车速和停车状态的车头间距，路段控制参数包括交叉口周期时长、绿灯间隔时长、吞吐量最大化模型和车均延误最小化模型的正反方向权重系数、期望最小平均交通流率和期望最大平均交通流率(除主线直行相位)，交通流量数据包括目标路段各进口道各流向的单位时间到达车辆数，即车辆到达流率。作为优选，所述步骤(2)中以目标路段第1交叉口至第n交叉口的各相位绿灯时长、第0交叉口正向主线直行相位、支线左转相位绿灯时长以及第n+1交叉口反向主线直行相位、支线左转相位绿灯时长为优化对象，第0交叉口为第1交叉口上游的交叉口，第n+1交叉口为第n交叉口下游的交叉口；优化模型的目标表示为：其中，δ1，δ2分别为吞吐量最大化模型的正向、反向的权重系数；分别为正向驶离第n交叉口、反向驶离第1交叉口的直行车道的单车道交通流率；t0,n+1为直行通过第n交叉口到达第n+1交叉口交通流的头车与尾车时距，为直行通过第1交叉口到达第0交叉口交通流的头车与尾车时距。作为优选，所述步骤(2)中描述保证本周期到达的车辆可以全部通过的约束表示为：若wi＝w1，若其中，i表示第i交叉口；t0,,分别为正向、反向上游交叉口通过直行到达第i交叉口交通流的头车与尾车时距；fis,分别为正向、反向第i交叉口到达车辆的直行比例；ni,分别为正向、反向第i交叉口的直行车道数；li,分别为正向、反向第i交叉口的初始排队长度；gi,分别为正向、反向第i交叉口主线直行相位绿灯时长；vc为排队消散状态的车速；wi,分别为正向、反向第i交叉口的停止波波速；w1为不存在转向以及车道变换折减时的停止波波速；w2为启动波波速。作为优选，所述步骤(2)中描述相位差处于临界状态时不存在空放的直行绿灯时长的约束表示为：若i＝0，gi＝t0,i+1若i＝n+1，其中，i＝0时，g0为第0交叉口的正向直行相位绿灯时长；i＝n+1时，为第n+1交叉口的反向直行相位绿灯时长；t0,1为正向上游交叉口通过直行到达第1交叉口交通流的头车与尾车时距，为反向上游交叉口通过直行到达第n交叉口交通流的头车与尾车时距。作为优选，所述步骤(2)中的描述交通量进出平衡约束表示为：其中，分别为正向、反向驶出第i交叉口的交通流率，一般情况下为饱和流率；qm为饱和流率。作为优选，初始排队长度的变量表达式为：其中，ei,分别为第i交叉口正向、反向的初始排队车辆数；h0为停车状态下的车头间距；gleft,i-1为正向第i-1交叉口支路左转相位绿灯时长，为反向第i+1交叉口支路左转相位绿灯时长，qleft,i-1为正向第i-1交叉口支路左转相位交通流率，为反向第i+1交叉口支路左转相位交通流率；gright,i-1,qright,i-1分别为正向第i-1交叉口支路右转相位绿灯时长和交通流率，分别为反向第i+1交叉口支路右转相位绿灯时长和交通流率；qbranch,i,分别为正向、反向通过第i交叉口上游路段的小支路、停车场或路边停车位驶入该交叉口进口道的车辆交通流率；不限制右转车辆通行时，T为周期时长。作为优选，所述步骤(4)中优化模型的目标表示为：其中，delayi,分别为正向第i交叉口、反向第i-1交叉口的车均延误；β1,β2分别为车均延误最小化模型的正向、反向车均权重系数。作为优选，所述步骤(4)中的描述避免溢出约束表示为：lmax,i≤L本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种过饱和交通状态干线双向信号协调设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)获取过饱和交通状态干线目标路段的几何参数、交通参数、控制参数以及需进行优化时段的交通流量数据；/n(2)以干线为建模对象，构建以最大化干线两个方向加权吞吐量为目标的优化模型，通过调节绿灯时长实现干线吞吐量最大化；所述优化模型的约束包含保证本周期到达的车辆可以全部通过的约束、相位差处于临界状态时不存在空放的直行绿灯时长的约束、交通量进出平衡的约束、绿灯时长范围的约束以及绿灯时长的相位约束；/n(3)求解以最大化干线两个方向加权吞吐量为目标的优化模型，得到干线各交叉口各相位的绿灯时长；/n(4)以干线各交叉口为建模对象，构建以最小化主线直行两个方向加权车均延误为目标的优化模型，通过调节相位差、相位方案来实现车均延误最小化；所述优化模型的约束包含避免溢出约束、避免排队清空后主线车队未到达情况出现的约束、避免主线车队所有车辆均需排队等待并且“多余等待时间”超出额定范围情况出现的约束、保证本周期到达车辆可以全部通过的约束以及相位差与两个方向绿灯启亮时间差关系约束；/n(5)求解以最小化主线直行两个方向加权车均延误为目标的优化模型，得到交叉口与其上游交叉口之间相位差和各交叉口的相位方案。/n...

【技术特征摘要】
1.一种过饱和交通状态干线双向信号协调设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取过饱和交通状态干线目标路段的几何参数、交通参数、控制参数以及需进行优化时段的交通流量数据；
(2)以干线为建模对象，构建以最大化干线两个方向加权吞吐量为目标的优化模型，通过调节绿灯时长实现干线吞吐量最大化；所述优化模型的约束包含保证本周期到达的车辆可以全部通过的约束、相位差处于临界状态时不存在空放的直行绿灯时长的约束、交通量进出平衡的约束、绿灯时长范围的约束以及绿灯时长的相位约束；
(3)求解以最大化干线两个方向加权吞吐量为目标的优化模型，得到干线各交叉口各相位的绿灯时长；
(4)以干线各交叉口为建模对象，构建以最小化主线直行两个方向加权车均延误为目标的优化模型，通过调节相位差、相位方案来实现车均延误最小化；所述优化模型的约束包含避免溢出约束、避免排队清空后主线车队未到达情况出现的约束、避免主线车队所有车辆均需排队等待并且“多余等待时间”超出额定范围情况出现的约束、保证本周期到达车辆可以全部通过的约束以及相位差与两个方向绿灯启亮时间差关系约束；
(5)求解以最小化主线直行两个方向加权车均延误为目标的优化模型，得到交叉口与其上游交叉口之间相位差和各交叉口的相位方案。


2.根据权利要求1所述的一种过饱和交通状态干线双向信号协调设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中获取的路段几何参数包括交叉口间距、车道功能以及对应车道数和进口道长度，路段交通参数包括饱和流率、路段限速、排队消散状态的车速和停车状态的车头间距，路段控制参数包括交叉口周期时长、绿灯间隔时长、正反方向权重、期望最小平均交通流率和期望最大平均交通流率，交通流量数据包括目标路段各进口道各流向的单位时间到达车辆数。


3.根据权利要求1所述的一种过饱和交通状态干线双向信号协调设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中以目标路段第1交叉口至第n交叉口的各相位绿灯时长、第0交叉口正向主线直行相位、支线左转相位绿灯时长以及第n+1交叉口反向主线直行相位、支线左转相位绿灯时长为优化对象，第0交叉口为第1交叉口上游的交叉口，第n+1交叉口为第n交叉口下游的交叉口；优化模型的目标表示为：



其中，δ1，δ2分别为吞吐量最大化模型的正向、反向的权重系数；分别为正向驶离第n交叉口、反向驶离第1交叉口的直行车道的单车道交通流率；t0,n+1为直行通过第n交叉口到达第n+1交叉口交通流的头车与尾车时距，为直行通过第1交叉口到达第0交叉口交通流的头车与尾车时距。


4.根据权利要求3所述的一种过饱和交通状态干线双向信号协调设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中描述保证本周期到达的车辆可以全部通过的约束表示为：






若wi＝w1，
若
其中，t0,i,分别为正向、反向上游交叉口通过直行到达第i交叉口交通流的头车与尾车时距；fis,分别为正向、反向第i交叉口到达车辆的直行比例；ni,分别为正向、反向第i交叉口的直行车道数；li,分别为正向、反向第i交叉口的初始排队长度；gi,分别为正向、反向第i交叉口主线直行相位绿灯时长；vc为排队消散状态的车速；wi,分别为正向、反向第i交叉口的停止波波速；w1为不存在转向以及车道变换折减时的停止波波速；w2为启动波波速；
描述相位差处于临界状态时不存在空放的直行绿灯时长的约束表示为：






若i＝0，gi＝t0,i+1
若i＝n+1，
其中，i＝0时，g0为第0交叉口的正向直行相位绿灯时长；i＝n+1时，为第n+1交叉口的反向直行相位绿灯时长；t0,1为正向上游交叉口通过直行到达第1交叉口交通流的头车与尾车时距，为反向上游交叉口通过直行到达第n交叉口交通流的头车与尾车时距；
描述交通量进出平衡的约束表示为：






其中，分别为正向、反向驶出第i交叉口的交通流率；qm为饱和流率。


5.根据权利要求4所述的一种过饱和交通状态干线双向信号协调设计方法，其特征在于，初始排队长度的表达式为：











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【专利技术属性】
技术研发人员：王昊，彭显玥，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32